一種基于mcu的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電力電子檢測應用技術領域，尤其涉及一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。
【背景技術】
[0002]隨著計算機的廣泛應用和電子技術的發(fā)展，數(shù)字技術被廣泛應用于國民經(jīng)濟、國防建設與科學實驗等各個領域。和模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)有精度高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，但有個缺點就是其只能處理離散信號。外界各種被檢測量如溫度、壓力、位置等，要通過各種類型傳感器轉換成電壓、電流等物理量。因為大部分傳感器輸出物理量為模擬量，應而需要轉換為數(shù)字信號才能被控制器處理。
[0003]隨著工業(yè)現(xiàn)場控制對參數(shù)實時性要求的提高，人們對數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)的精度、容量、功耗及抗干擾性等都有了更高的要求，因此各種高性能MCU及外部存儲器紛紛出現(xiàn)。隨著SOC (system on chip)技術的發(fā)展，越來越多地要求將各種功能集于一體，一些知名廠商紛紛推出嵌入式SOC芯片。將A/D，D/A功能集成在MCU上，其最大優(yōu)點是簡化了系統(tǒng)外圍電路設計，降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)體積大大縮小。數(shù)據(jù)存儲方式主要有并行存儲和串行存儲。并行存儲較為簡單，只是需要較多的數(shù)據(jù)線與地址線，還可能要加鎖存器，使系統(tǒng)連線變得復雜，傳輸數(shù)據(jù)的各個位必須處于一個時鐘周期內(nèi)的相同位置，頻率越高，對器件的傳輸性能和電路結構要求越嚴格，系統(tǒng)設計難度加大，系統(tǒng)成本提高，可靠性降低。現(xiàn)在越來越多的使用串行方式存儲數(shù)據(jù)。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本實用新型的目的在于，提供一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本實用新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積，同時實現(xiàn)USB通訊和基于Labview的圖形化數(shù)據(jù)顯示。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務，本實用新型采用如下的技術解決方案:
[0006]一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括信號預處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；被測信號通過信號預處理電路和A/D轉換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與信號預處理電路、A/D轉換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機相連；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的外部存儲器。
[0007]該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信號預處理電路包括LM2904型雙運算集成放大芯片、IkD電阻(Rl)、91kD電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和10 μ F電容(C2)，所述被測信號通過IkD電阻(Rl)與運算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91k Ω電阻(R4)與運算放大器LM2904的輸出端⑴相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91kΩ電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端⑴通過10 μ F電容(C2)與A/D轉換接口 Vout相連。
[0008]本實用新型的有益效果是:
[0009]傳感器輸出的檢波信號的變化量一般為1mV?50mV，在進行信號處理前必須將信號加以放大，這樣才有利于進行信號處理；隔直分壓電路將檢波電壓信號的直流分量慮去，并將信號的靜態(tài)工作電平控制在2V左右，使其低于微控制器管腳所能承受的最大電壓，保證處理器的正常工作。LM2904是一種雙運算集成放大電路，能工作在高達32V寬電壓范圍，其直流電壓增益為100dB，增益帶寬積為1.1MHzο LM2904運算放大器采用單電源供電，VCC為電源適配器提供的15V電壓，VDD是C8051F340的工作電壓3.3V，Vin為檢波電壓的信號輸入接口，Vout為經(jīng)過信號預處理以后的輸出信號。
[0010]信號預處理電路采用LM2904構成同相比例放大運算電路，輸入電壓通過電阻Rl作用于LM2904的正相輸入端，故輸出電壓與同相。電阻R4跨接在LM2904的輸出端和反相輸入端，引入了電壓串聯(lián)負反饋。反相輸入端通過電阻R3接地，R3為補償電阻，以保證LM2904輸入級差分放大電路的對稱性。
[0011]微處理器MCU采用Silicon Labs公司的C8051F系列單片機作為采集電路的主要微控制器。C8051F340器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于實現(xiàn)USB接口的外部設備。USB功能控制器(USBO)由串行接口引擎(SIE)、USB收發(fā)器(包括匹配電阻和可配置上拉電阻)、lkB FIFO外部存儲器和時鐘恢復電路組成，不需要外部元件。
[0012]該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。
【附圖說明】
[0013]以下結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的解釋說明。
[0014]圖1是該微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖；
[0015]圖2是該系統(tǒng)的微型處理器MCU硬件結構圖；
[0016]圖3是該系統(tǒng)的信號預處理電路圖；
[0017]圖4是該系統(tǒng)的軟件總體流程圖。
【具體實施方式】
[0018]圖1是該微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖，基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號預處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；所述的被測信號通過信號預處理電路和A/D轉換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與信號預處理電路、A/D轉換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機相連；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的外部存儲器。
[0019]圖2是該系統(tǒng)的微型處理器MCU硬件結構圖，系統(tǒng)選擇Silicon Labs公司的C8051F系列單片機作為采集電路的主要微控制器。C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。C8051F系列單片機的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART, SP1、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、定時器、數(shù)字I/O 口、電源監(jiān)視器、看門狗電路WDT和時鐘振蕩器。這種芯片先進的數(shù)一?；旌闲盘柼幚淼腎C工藝，顯著地提高了信號處理速度和精度，其系列產(chǎn)品的高性能讓使用者更靈活地對芯片編程。該系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。CPU有效地管理模擬和數(shù)字外設，可以關閉單個或全部外設以節(jié)省功耗。
[0020]圖3是該系統(tǒng)的信號預處理電路圖，信號預處理電路包括LM2904型雙運算集成放大芯片、IkQ電阻(Rl)、91kQ電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和1yF電容(C2)，所述被測信號通過IkQ電阻(Rl)與運算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91k Ω電阻(R4)與運算放大器LM2904的輸出端⑴相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91k Ω電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端(I)通過10 μ F電容(C2)與A/D轉換接P Vout相連。
[0021]圖4是該系統(tǒng)的軟件總體流程圖，本數(shù)據(jù)采集裝置的軟件工作過程是:首先是上電開機，單片機發(fā)送采集指令后啟動A/D轉換程序?qū)z波電壓進行數(shù)據(jù)采集，同時將采集數(shù)據(jù)存儲在FLASH中，采集完成后調(diào)用USB接口程序?qū)z波電壓上傳至PC終端，LabVIEW終端處理程序通過讀取USB接口數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲和波形顯示。
[0022]除了上述以外本實用新型所屬技術領域的普通技術人員也都能理解到，在此說明和圖示的具體實施例都可以進一步變動結合。例如，可以將C8051F系列微控制器MCU更換為其它類型的如英飛凌XD512系列MCU。
[0023]雖然本實用新型是就其較佳實施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術的人都可理解到，在所述權利要求書中所限定的本實用新型的精神和范圍內(nèi)，還可對本實用新型作出種種改動和變動。
【主權項】
1.一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括信號預處理電路、電源及監(jiān)測電路、A/D轉換、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口 ；被測信號通過信號預處理電路和A/D轉換輸送到微處理器MCU，所述的電源及監(jiān)測電路與信號預處理電路、A/D轉換和微處理器MCU相連，電源及監(jiān)測電路為系統(tǒng)提供+3.3V穩(wěn)定工作電壓，所述的外部存儲器與微處理器MCU相連，所述的微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口與上位機相連；所述的微處理器MCU采用C8051F系列單片機作為核心處理器，完成對被測信號處理、轉換和采集；所述的外部儲存器采用帶SPI接口的外部存儲器。
2.如權利要求1所述的一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號預處理電路包括LM2904型雙運算集成放大芯片、IkD電阻(Rl)、91kD電阻(R4)、0.0OlnF電容(C4)和10 μ F電容(C2)，所述被測信號通過IkD電阻(Rl)與運算放大器LM2904的正相輸入端(4)連接，所述運算放大器LM2904的反相輸入端(3)通過91kQ電阻(R4)與運算放大器LM2904的輸出端⑴相連，所述的0.0OlnF電容(C4)與91kΩ電阻(R4)并聯(lián)，所述的LM2904的輸出端⑴通過10 yF電容(C2)與A/D轉換接口 Vout相連。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于MCU的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括信號預處理電路、A/D轉換電路、電源及監(jiān)測電路、微處理器MCU、外部存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口；被測信號通過信號預處理電路輸送到微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述的上位機通過數(shù)據(jù)通訊接口與微處理器MCU相連，完成數(shù)據(jù)的進一步處理和顯示；所述的信號預處理電路采用基于LM2904芯片的雙運算集成放大電路。該基于串行儲存方式的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構簡單、節(jié)能低耗，采用串行接口的FLASH儲存方式大幅提高讀寫速率，有效增加系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)體積。
【IPC分類】G05B19-042, G06F17-40
【公開號】CN204463120
【申請?zhí)枴緾N201520024368
【發(fā)明人】高飛, 鄧柳于勤, 管建娜, 辛策, 蘇煜
【申請人】高飛
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年1月14日